JP4669638B2

JP4669638B2 - Gas sensor

Info

Publication number: JP4669638B2
Application number: JP2001231572A
Authority: JP
Inventors: 俊樹澤田; 孝幸河原; 允俊谷口; 博宮田
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2001-07-31
Filing date: 2001-07-31
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2021-07-31
Also published as: JP2003043002A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素センサ、ＨＣセンサ、ＮＯｘセンサ等、被測定ガスに含まれる所定のガス成分を検出するガスセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、内燃機関の制御装置として、内燃機関の排気中に含まれる酸素やＮＯｘ成分を検出し、その検出結果に応じて、内燃機関に噴射供給する燃料量等を制御する装置が知られている。また、この種の装置で使用されるガスセンサは、排気管等、被測定ガスが流れる流路に検出素子を配置する必要があることから、検出素子を筒状のケースにて把持し、このケースを排気管等に固定することにより、検出素子を被測定ガスが流れる流路に配置するようにしている。
【０００３】
また、この種のガスセンサでは、ケースから突出された検出素子をそのまま被測定ガス中に晒すと、被測定ガスに含まれる水滴等が検出素子に当たり、検出素子が劣化することがあるので、ケースには、検出素子を保護するための有底筒状のプロテクタが設けられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうしたプロテクタには、被測定ガスを内部の検出素子側に流通させるための通気孔が穿設されることから、内燃機関の始動時等、壁面に付着した水滴が一気に排気管を流れるような場合には、水滴が通気孔から流入して検出素子に当たってしまうという問題があった。
【０００５】
また、こうした問題を解決するために、プロテクタを内側プロテクタと外側プロテクタとからなる二重構造にすることも考えられているが、プロテクタを単に二重構造にしたのでは、水滴等から検出素子を確実に保護することができず、また、プロテクタ内での被測定ガスの置換が遅れて、ガスセンサの特性（応答性）が低下してしまう、という問題が発生する。
【０００６】
本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、検出素子を保護するためのプロテクタを二重構造としたガスセンサにおいて、検出素子を水滴等からより確実に保護することができ、しかも、プロテクタ内での被測定ガスの置換を高速に行うことができるようにすることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
かかる目的を達成するためになされた請求項１記載のガスセンサにおいては、検出素子を保護するプロテクタが、内側プロテクタと外側プロテクタとからなる二重構造となっており、内側プロテクタの側壁には、ケース近傍の基端側と、ケースから離れた先端側とに、夫々、基端側通気孔及び先端側通気孔が形成され、外側プロテクタには、側壁と、ケースとは反対側の先端面とに、夫々、側壁通気孔及び端面通気孔が形成され、しかも、外側プロテクタの側壁通気孔は、プロテクタの中心軸方向に沿って、基端側通気孔と先端側通気孔との間に位置するように形成されている。
【０００８】
このように構成された本発明のガスセンサにおいては、内燃機関の排気管等、被測定ガスが流れる測定対象物に対して、被測定ガスがプロテクタの側壁に当たるように配置すれば、被測定ガス中の水滴等が検出素子に当たるのを防止しつつ、検出素子周囲の被測定ガスを、測定すべきガスに速やかに置換することができる。
【０００９】
即ち、本発明のガスセンサにおいては、外側プロテクタの先端面に通気孔（端面通気孔）が形成され、内側プロテクタの先端部側壁にも通気孔（先端側通気孔）が形成されているので、これら各プロテクタでは、外側プロテクタの端面通気孔付近を流れる被測定ガスによって、端面通気孔及び先端側通気孔の外側がそれぞれの孔の内側の内部圧力よりも低い負圧となり、各プロテクタ内の被測定ガスは、これら先端部の通気孔を通って内部から外部に排出される。
【００１０】
一方、被測定ガスは、外側プロテクタに形成された側壁通気孔を介して、プロテクタ内に流入することになるが、この側壁通気孔は、内側プロテクタの基端側通気孔と先端側通気孔との間に位置するように形成されることから、外側プロテクタの側壁通気孔から内部に流入した被測定ガスの一部は、内側プロテクタの基端側通気孔へと流れ、内側プロテクタ内（つまり検出素子周囲）に流入する。
【００１１】
つまり、内側プロテクタ基端側においては、上記のように、内部の被測定ガスが先端側通気孔から排出するので、その内部の圧力が外側プロテクタと内側プロテクタとの間の圧力よりも低くなり、外側プロテクタの側壁通気孔から流入した被測定ガスを、基端側通気孔から吸い込むようになり、結果的に、外側プロテクタの側壁通気孔から内部に流入した被測定ガスの一部が、内側プロテクタ内に吸い込まれるようになるのである。
【００１２】
この結果、検出素子周囲では、ケースに把持された基端側から先端側へと被測定ガスが流れるようになり、検出素子周囲の被測定ガスは、センサ周囲の測定すべきガスに常時置換されることになる。よって、本発明によれば、被測定ガスの検出遅れが生じるのを防止し、応答性の高いガスセンサを実現できる。
【００１３】
また、外側プロテクタの側壁通気孔は、内側プロテクタの基端側通気孔と先端側通気孔との間に位置するように形成され、内側プロテクタの通気孔と重なることがないので、外側プロテクタの側壁通気孔から被測定ガスと一緒にプロテクタ内に流入した水滴等は、内側プロテクタの外壁に当たる。よって、本発明によれば、被測定ガス中の水滴等が、内側プロテクタ内に侵入して、検出素子に当たるのを防止できる。
【００１４】
ここで、外側プロテクタの側壁通気孔は、外側プロテクタの側壁に孔を空けるだけでもよいが、この場合、側壁通気孔から流入する被測定ガスを内側プロテクタの基端側通気孔へと効率良く導くことができないことも考えられる。
そこで、より好ましくは、請求項２に記載のように、外側プロテクタの側壁通気孔に対して、被測定ガスの流れを当該プロテクタが固定されるケース側（換言すれば基端側）に方向付けるルーバーを形成するとよい。
【００１５】
つまり、このようにすれば、側壁通気孔から流入する被測定ガスを内側プロテクタの基端側通気孔へと効率よく導くことができ、検出素子周囲の被測定ガスをより速やかに置換することができる。
また次に、上記ルーバーは、請求項３に記載のように、内側プロテクタの基端側通気孔に設けるようにしてもよい。つまり、内側プロテクタの基端側通気孔に、被測定ガスの流れを当該プロテクタが固定されるケース側（換言すれば基端側）に方向付けるルーバーを形成すれば、基端側通気孔から内側プロテクタ内に流入した被測定ガスは、一旦ケース側に導かれ、その後、先端側に流れることになるので、内側プロテクタ内での被測定ガスの置換をより促進することができる。なお、上記ルーバーは、プロテクタとは別体で構成し、プロテクタ作製後に通気孔付近に固定する様にしても良いが、このようにすると、プロテクタの製造が難しくなり、コストアップにつながる。
【００１６】
そこで、上記のように、外側プロテクタ若しくは内側プロテクタの側壁にルーバー付きの通気孔を形成する際には、請求項４に記載のように、この通気孔を、プロテクタの側壁を略半円形状の円弧部分で切り欠き、その半円の弦の部分を中心として内側に折り曲げた形状にするとよい。つまり、このようにすれば、プロテクタをプレス成形する際にルーバー付きの通気孔を同時に形成できるようになり、プロテクタの製造を極めて簡単に行うことが可能となる。
【００１７】
また、ルーバー付きの通気孔を請求項４に記載のように形成する場合、ルーバーの折り曲げ中心となる半円の弦の部分については、請求項５に記載のように、プロテクタの中心軸に対して直交若しくは所定角度傾斜させるとよい。
つまり、ルーバーの折り曲げ中心となる半円の弦の部分を、プロテクタの中心軸に対して直交させれば、ルーバーの先端が基端方向に真っ直ぐに向くことになるので、ルーバーにより被測定ガスの流れを基端方向に真っ直ぐに向けて、被測定ガスの置換を速やかに実行させることができる。
【００１８】
しかし、このようにすると、ルーバーをプレス成形等によって形成した際に、プロテクタの内側に設けた型がルーバーで引っ掛かり、これを取り出すのが困難になることが考えられる。よって、ルーバー付きの通気孔を請求項４に記載のように形成する際には、ルーバーの折り曲げ中心となる半円の弦の部分とプロテクタの中心軸とがなす角度を、製造工程を考慮して、９０度若しくはこれよりも所定角度傾斜した角度に設定するようにすればよい。
【００１９】
尚、請求項４，５に記載のガスセンサにおいては、ルーバーは半円形状となるが、ガスの流れを規制する機能や製造方法に支承を来さなければ、三日月形、三角形、四角形等、半円以外の他の形状にしてもよい。
また次に、外側プロテクタの先端面に形成される端面通気孔は、先端面を直接穿設することにより形成してもよいが、単なる孔にすると、この孔から水滴等が侵入することも考えられる。
【００２０】
そこで、外側プロテクタの先端面に形成される端面通気孔としては、請求項６に記載のように、外側プロテクタの先端面を内側若しくは外側に突出させ、その突出部の側壁の一部を開口させた形状にするとよい。つまり、このようにすれば、外側プロテクタの先端面が直接外部に開口しないので、端面通気孔から水滴等が侵入するのを防止し、検出素子をより確実に保護することができる。
【００２１】
そして、特に、請求項７に記載のように、外側プロテクタの先端面を内側に突出させた突出部の側壁の一部を開口させることにより、端面通気孔を形成した場合、内側プロテクタのケースとは反対側の先端面を、外側プロテクタの突出部の内側端面に当接させて、これらを溶接等で接合することができることから、内側プロテクタと外側プロテクタとの位置決め及び固定を極めて簡単に行うことができるようになる。
【００２２】
なお、内側プロテクタの先端面は通気孔が形成されていても良いが、水滴などの侵入をより確実に防止するためには、通気孔を形成しないことが望ましい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態について説明する。
図１は本発明が適用された実施例の酸素センサ全体の構成を表し、（ａ）はその外観を表す側面図、（ｂ）はその内部構成を表す断面図である。
【００２４】
本実施例の酸素センサは、内燃機関の排気管に取り付けられて、内燃機関の排気中の酸素濃度を検出するためのものであり、酸素濃度検出用の検出素子２と、検出素子２を把持して車両等の排気管に固定するための筒状の主体金具（ケース）４と、主体金具４の後端側に固定された筒状の外筒１４と、検出素子２を保護するために主体金具４の先端側に固定された内側プロテクタ３０及び外側プロテクタ５０とを備える。
【００２５】
ここで、検出素子２は、ジルコニア等の酸素イオン電導性固体電解質体からなり、ガス検出部Ｄとなる先端部両面に多孔質電極を形成した板状の検出素子本体と、検出素子本体のガス検出部Ｄを加熱して活性化させるための板状のセラミックヒータとを互いに積層し、更に、セラミックヒータが積層されない側の多孔質電極の表面に、スピネル，アルミナ等のセラミックスからなる多孔質の電極保護層を形成した周知のものである。
【００２６】
そして、この検出素子２は、主体金具４の内側に設けられた絶縁体６を介して、主体金具４の先端からガス検出部Ｄが突出するように、主体金具４内に固定される。尚、絶縁体６において、主体金具４の後端側には、検出素子２が挿通される挿通孔６ａよりも大径の空隙部６ｂが形成されており、この空隙部６ｂにはガラス等からなる封着材８が充填されている。また、絶縁体６と主体金具４とは、タルクリング１０と加締めリング１２とにより互いに固定されている。この結果、検出素子２は、主体金具４の内側にしっかり（強固に）と固定されることになる。
【００２７】
また、外筒１４の末端部には、外部からヒータへの通電を行うと共に検出信号を取り出すための複数のリード線２２の先端電極を固定するためのテフロングロメット１６、及び、テフロングロメット１６を外筒１４内に固定するためのシールゴム１８が嵌め込まれ、その内部には、テフロングロメット１６に固定されたリード線２２の先端電極と検出素子２とを電気的に接続するためのコネクタ部２０が設けられている。
【００２８】
次に、本発明の主要部である内側プロテクタ３０及び外側プロテクタ５０の構成を、図２及び図３を用いて説明する。
尚、図２において、（ａ）は、主体金具４に取り付けられたプロテクタ部分を拡大して表す一部破断正面図、（ｂ）は外側プロテクタ５０の外観を表す正面図、（ｃ）は外側プロテクタ５０の外観を表す側面図、（ｄ）は内側プロテクタ３０の外観を表す正面図、（ｅ）は内側プロテクタ３０の外観を表す側面図である。
【００２９】
また、図３において、（ａ）は外側プロテクタ５０を正面から見た断面図、（ｂ）は外側プロテクタ５０を側面から見た断面図、（ｃ）は内側プロテクタ３０を正面から見た断面図、（ｄ）は内側プロテクタ３０を側面から見た断面図、（ｅ）は両プロテクタ３０，５０を接続した状態を正面から見た断面図、（ｆ）は同じく両プロテクタ３０，５０を接続した状態を側面から見た断面図である。
【００３０】
内側プロテクタ３０及び外側プロテクタ５０は、主体金具４の先端から突出した検出素子２（詳しくはガス検出部Ｄ）の周囲を二重に覆うことにより、検出素子２を外部から保護するためのものであり、一方の開放端が閉じられた筒状（有底筒状）に形成されている。
【００３１】
そして、図２，図３から明らかなように、内側プロテクタ３０は、その上から外側プロテクタ５０を被せた際に、各プロテクタ３０，５０の側壁及び主体金具４とは反対側の先端面の間に所定幅の空隙が形成されるように、外側プロテクタ５０に比べて小さくなっている。
【００３２】
また、内側プロテクタ３０の側壁において、主体金具４近傍の基端側と、主体金具４から離れた先端側とには、夫々、内側プロテクタ３０（延いては酸素センサ）の中心軸Ｚを中心とする軸周りに、略等間隔で、複数（本実施例では６個）の基端側通気孔３２及び先端側通気孔３４が形成されており、外側プロテクタ５０の側壁にも、中心軸Ｚを中心とする軸周りに略等間隔で複数（本実施例では６個）の側壁通気孔５２が形成されている。
【００３３】
尚、この側壁通気孔５２は、中心軸Ｚ方向に沿って、内側プロテクタ３０の基端側通気孔３２と先端側通気孔３４との間に位置するように、外側プロテクタ５０の中心軸Ｚ方向の略中央部分に形成されている。
また、これら両プロテクタ３０，５０の側壁に形成された通気孔の内、内側プロテクタ３０の側壁に形成された基端側通気孔３２、及び、外側プロテクタ５０の側壁に形成された側壁通気孔５２には、ルーバー３２ａ，５２ａが夫々設けられている。
【００３４】
このルーバー３２ａ，５２ａ付きの基端側通気孔３２及び側壁通気孔５２は、略半円形状を呈する円弧の中心が主体金具４を向くようにして、各プロテクタ３０，５０の側壁を略半円の円弧で切り欠き、その半円の弦に当たる部分を中心にして、略半円形状の側壁部分を各プロテクタ３０，５０の内側に向けて所定角度だけ折り曲げることにより、形成されている。そして、この折り曲げられた略半円形状の側壁部分がルーバー３２ａ，５２ａとなり、各プロテクタ３０，５０内に流入する被測定ガスが、主体金具４０方向に流れるように、被測定ガスの流れを規定する。
【００３５】
尚、内側プロテクタ３０の側壁に形成される先端側通気孔３４は、丸孔からなり、ルーバー等は設けられていない。
また次に、外側プロテクタ５０の主体金具４とは反対側の先端面には、端面通気孔５４が形成されている。この端面通気孔５４は、主体金具４の先端面の中央部分を矩形の金型を利用してプロテクタ内に突出させ、その突出部５０ａの一対の側壁部分（正面から見て左右側面）を開口させることにより形成されている。
【００３６】
一方、内側プロテクタ３０の開口端側（つまり、主体金具４に固定される基端側）は、前記各通気孔３２，３４が形成された本体部分よりも大径になっており、この大径部３６にて、内側プロテクタ３０を外側プロテクタ５０内に嵌合できるようにされている。
【００３７】
また、この大径部３６には、中心軸Ｚに沿った溝部３８が形成されており、外側プロテクタ５０には、内側プロテクタ３０を内部に収納した際、この溝部３８に挿通されて、内側プロテクタ３０が外側プロテクタ５０内で回転するのを禁止する周り止め用の突起５８が内側に向かって突設されている。
【００３８】
そして、これら各プロテクタ３０，５０を実際に酸素センサに組み付ける際には、図３（ｅ），（ｆ）に示す如く、上記溝部３８と突起５８とにより、内側プロテクタ３０と外側プロテクタ５０との中心軸Ｚ周りの相対位置を位置決めしつつ、内側プロテクタ３０を外側プロテクタ５０内に収納し、内側プロテクタ３０の先端面を、外側プロテクタ５０の先端面に形成された突出部５０ａに当接させて、その部分を数カ所、溶接により接合する（図２（ａ），図３（ｅ）に示す接合部６０参照）ことにより、両プロテクタ３０，５０が接合される。
【００３９】
また、このように内側プロテクタ３０と外側プロテクタ５０とを接合することにより形成された二重構造のプロテクタは、その開口部に主体金具４の先端部分を嵌入することにより主体金具４に装着され、更に、嵌入部を溶接等により接合（図２（ａ）に示す接合部６２参照）することにより、主体金具４と一体化される。
【００４０】
以上のように構成された本実施例の酸素センサにおいては、内燃機関の排気管に対して、排気管を流れる被測定ガス（排気）が、外側プロテクタ５０の側壁に当たるように配置すれば、排気中の水滴等が検出素子２に当たるのを防止しつつ、検出素子２周囲の被測定ガスを排気管を実際に流れる排気に速やかに置換することができる。
【００４１】
つまり、本実施例の酸素センサにおいては、外側プロテクタ５０の先端面に端面通気孔５４が形成されており、内側プロテクタ３０の側壁の先端部にも、先端側通気孔３４が形成されているので、排気管を流れる排気によって、端面通気孔５４及び先端側通気孔３４の外側が外側プロテクタ５０及び内側プロテクタ３０の内部圧力よりも低い負圧となる。よって、各プロテクタ５０，３０内の被測定ガスは、これら先端部の通気孔５４，３４を通って外部に排出されることになる。
【００４２】
一方、排気は、外側プロテクタ５０の側壁に形成された側壁通気孔５２を通ってプロテクタ内に流入するが、この側壁通気孔５２は、内側プロテクタ３０の基端側通気孔３２と先端側通気孔３４との間に位置するように形成され、しかも、側壁通気孔５２には、排気を酸素センサの基端側（換言すれば内側プロテクタ３０の基端側通気孔３２側）へと導くルーバー５２ａが設けられているため、側壁通気孔５２から外側プロテクタ５０内に流入した排気は、酸素センサの基端側へと流れ、内側プロテクタ３０の基端側通気孔３２から内側プロテクタ３０内（つまり検出素子２周囲）へと流入する。
【００４３】
また、内側プロテクタ３０の基端側通気孔３２にも、外側プロテクタ５０の側壁通気孔５２と同様に、排気を酸素センサの基端側へと導くルーバー３２ａが設けられているため、基端側通気孔３２から内側プロテクタ３０内に流入した排気は、更に内側プロテクタ３０内で更に基端側へと流れる。
【００４４】
そして、内側プロテクタ３０内の被測定ガスは、上記のように、排気管内での排気の流れによって生じる負圧によって、先端側通気孔３４から外に抜けようとするので、内側プロテクタ３０内に流入した排気は、酸素センサの基端側に一旦流れ込んだ後、方向を変えて、先端側に流れ、先端側通気孔３４から外に排出される。そして、このように内側プロテクタ３０から排出された排気は、外側プロテクタ５０の端面通気孔５４から、排気管内に排出される。
【００４５】
このように、本実施例の酸素センサにおいては、図３（ｅ），（ｆ）に点線の矢印で示すように、被測定ガスである排気を、外側プロテクタ５０の側壁通気孔５２、内側プロテクタ３０の基端側通気孔３２を介して、内側プロテクタ３０内の基端側に一旦取り込み、その後、内側プロテクタ３０の先端側通気孔３４、外側プロテクタ５０の端面通気孔５４を介して、排気管内に排出する。
【００４６】
このため、本実施例の酸素センサによれば、内側プロテクタ３０内に被測定ガスが滞留するのを防止し、被測定ガスを酸素濃度を測定すべき排気に速やかに置換することができる。よって、本実施例の酸素センサによれば、被測定ガス中（排気中）の酸素濃度を応答遅れなく測定することができ、内燃機関の制御の応答性を高め、制御精度を向上することができる。
【００４７】
以上、本発明の一実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の態様を採ることができる。
例えば、上記実施例では、外側プロテクタ５０及び内側プロテクタ３０の全体形状は、単に有底筒状であるものとして説明したが、例えば、図４（ａ）に示すように、外側プロテクタ５０については、その先端部分を、先端側程径が小さくなるように所謂テーパー形状に形成してもよい。
【００４８】
また、例えば、上記実施例では、基端側通気孔３２及び側壁通気孔５２に形成されるルーバー３２ａ，５２ａについては、略半円形状を呈するルーバー３２ａ，５２ａの円弧の中心が主体金具４に向くように（換言すれば、ルーバー３２ａ，５２ａの折り曲げ部分である円弧の弦に当たる部分が中心軸Ｚに対して直交するように）形成するものとして説明したが、図４（ｂ）に示すように、略半円形状を呈するルーバー３２ａ，５２ａの折り曲げ部分である円弧の弦に当たる部分を、中心軸Ｚに対して所定角度で傾斜させるようにしても良い。
【００４９】
また、上記実施例では、本発明を、内燃機関の排気管に取り付けられる酸素センサに適用した場合について説明したが、本発明のガスセンサは、ＮＯｘセンサ等、酸素センサ以外のガスセンサであっても、上記実施例と同様に適用して、同様の効果を得ることができる。更に検出素子の形状としても、板型に限らず、筒型の素子に対しても有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の酸素センサの構成を表す説明図である。
【図２】実施例の酸素センサのプロテクタの取付構造及びそのプロテクタの外観を説明する説明図である。
【図３】実施例の酸素センサのプロテクタの断面及び２つのプロテクタの組み付け状態を説明する説明図である。
【図４】酸素センサのプロテクタの他の構成例を表す説明図である。
【符号の説明】
２…検出素子、４…主体金具（ケース）、６…絶縁体、８…封着材、３０…内側プロテクタ、３２…基端側通気孔、３４…先端側通気孔、５０…外側プロテクタ、５２…側壁通気孔、５４…端面通気孔、３２ａ，５２ａ…ルーバー。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a gas sensor that detects a predetermined gas component contained in a gas to be measured, such as an oxygen sensor, an HC sensor, or a NOx sensor.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, as a control device for an internal combustion engine, a device that detects oxygen and NOx components contained in the exhaust gas of the internal combustion engine and controls the amount of fuel to be injected and supplied to the internal combustion engine according to the detection result is known. Yes. In addition, the gas sensor used in this type of apparatus needs to place the detection element in a flow path through which the gas to be measured flows, such as an exhaust pipe. Is fixed to an exhaust pipe or the like, so that the detection element is arranged in the flow path through which the gas to be measured flows.
[0003]
In addition, in this type of gas sensor, if the detection element protruding from the case is exposed to the gas to be measured as it is, water droplets etc. contained in the gas to be measured may hit the detection element and the detection element may deteriorate. Is provided with a bottomed cylindrical protector for protecting the detection element.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, since such a protector is provided with a vent hole for allowing the gas to be measured to flow to the internal detection element side, water droplets adhering to the wall surface flow through the exhaust pipe all at once, such as when the internal combustion engine is started. In such a case, there is a problem that water droplets flow from the vent and hit the detection element.
[0005]
In order to solve these problems, it is also considered that the protector has a double structure consisting of an inner protector and an outer protector. However, if the protector is simply made of a double structure, the detection element can be removed from water droplets. There is a problem that it cannot be surely protected, and replacement of the gas to be measured in the protector is delayed, so that the characteristic (responsiveness) of the gas sensor is deteriorated.
[0006]
The present invention has been made in view of these problems, and in the gas sensor having a double structure protector for protecting the detection element, the detection element can be more reliably protected from water droplets and the like. It is an object of the present invention to be able to perform the replacement of the gas to be measured at a high speed.
[0007]
[Means for Solving the Problems and Effects of the Invention]
The gas sensor according to claim 1, wherein the protector for protecting the detection element has a double structure composed of an inner protector and an outer protector, and a case on the side wall of the inner protector. A proximal-side vent hole and a distal-end-side vent hole are respectively formed on the proximal end side in the vicinity and the distal end side away from the case, and the outer protector has a side wall and a distal end surface opposite to the case. In addition, a side wall vent hole and an end face vent hole are formed, respectively, and the side wall vent hole of the outer protector is located between the proximal end side vent hole and the distal end side vent hole along the central axis direction of the protector. Is formed.
[0008]
In the gas sensor of the present invention configured as described above, if the gas to be measured is disposed on the side wall of the protector with respect to the measurement object such as the exhaust pipe of the internal combustion engine through which the gas to be measured flows, It is possible to quickly replace the gas to be measured around the detection element with the gas to be measured while preventing the water droplets from hitting the detection element.
[0009]
That is, in the gas sensor of the present invention, the vent hole (end face vent hole) is formed on the tip surface of the outer protector, and the vent hole (tip side vent hole) is also formed on the tip side wall of the inner protector. In each protector, the gas to be measured flowing in the vicinity of the end face vent of the outer protector causes the outside of the end face vent and the tip side vent hole to have a negative pressure lower than the internal pressure inside each hole. The gas is discharged from the inside to the outside through the vent holes at these tip portions.
[0010]
On the other hand, the gas to be measured flows into the protector through the side wall vent formed in the outer protector. The side wall vent is formed by connecting the base end side vent hole and the front end side vent hole of the inner protector. Therefore, a part of the gas to be measured that flows into the inside through the side wall vent of the outer protector flows to the base end vent of the inner protector, and then enters the inner protector (that is, the detection). Flows around the element).
[0011]
That is, on the inner protector base end side, as described above, the gas to be measured is discharged from the tip side vent hole, so that the internal pressure is lower than the pressure between the outer protector and the inner protector, The gas to be measured flowing from the side wall vent of the outer protector is sucked from the base side vent, and as a result, a part of the gas to be measured flowing from the side wall vent of the outer protector into the inner protector It will be sucked in.
[0012]
As a result, the gas to be measured flows from the base end side held by the case to the tip side around the detection element, and the gas to be measured around the detection element is constantly replaced with the gas to be measured around the sensor. Will be. Therefore, according to the present invention, it is possible to prevent a delay in detection of the gas to be measured and to realize a gas sensor with high responsiveness.
[0013]
Further, the side wall vent hole of the outer protector is formed so as to be positioned between the proximal end side vent hole and the distal end side vent hole of the inner protector and does not overlap with the vent hole of the inner protector. Water droplets or the like that flow into the protector together with the gas to be measured from the vent holes hit the outer wall of the inner protector. Therefore, according to the present invention, it is possible to prevent water droplets or the like in the measurement gas from entering the inner protector and hitting the detection element.
[0014]
Here, the side wall vent hole of the outer protector may be merely formed in the side wall of the outer protector, but in this case, the gas to be measured flowing from the side wall vent hole is efficiently guided to the proximal end side vent hole of the inner protector. It is also possible that it is not possible.
Therefore, more preferably, as described in claim 2, the flow of the gas to be measured is directed to the case side (in other words, the base end side) to which the protector is fixed with respect to the side wall vent of the outer protector. A louver may be formed.
[0015]
In other words, in this way, the gas to be measured flowing from the side wall vent can be efficiently guided to the base end side vent of the inner protector, and the gas to be measured around the detection element can be replaced more quickly. it can.
Next, the louver may be provided in the vent hole on the proximal end side of the inner protector. In other words, if a louver that directs the flow of the gas to be measured to the case side (in other words, the base end side) where the protector is fixed is formed in the base end side vent hole of the inner protector, Since the gas to be measured that has flowed into the protector is once guided to the case side and then flows to the tip side, the replacement of the gas to be measured in the inner protector can be further promoted. The louver may be configured separately from the protector, and may be fixed in the vicinity of the vent hole after the protector is manufactured. However, in this case, the manufacture of the protector becomes difficult and the cost increases.
[0016]
Therefore, as described above, when the vent hole with a louver is formed on the side wall of the outer protector or the inner protector, as described in claim 4, the vent hole has a substantially semicircular shape on the side wall of the protector. It is good to make it the shape which notched in the circular arc part and was bent inward centering | focusing on the part of the semicircle string. That is, in this way, when the protector is press-molded, a vent hole with a louver can be formed simultaneously, and the protector can be manufactured very easily.
[0017]
Further, when the vent hole with a louver is formed as described in claim 4, the semicircular chord portion which is the bending center of the louver is formed with respect to the central axis of the protector as described in claim 5. It is good to incline perpendicularly or at a predetermined angle.
In other words, if the portion of the semicircular chord that becomes the bending center of the louver is orthogonal to the central axis of the protector, the tip of the louver will be directed straight to the base end direction, so the louver The gas to be measured can be quickly replaced by directing the flow straight in the proximal direction.
[0018]
However, in this case, when the louver is formed by press molding or the like, the mold provided inside the protector is caught by the louver, and it may be difficult to take out the mold. Therefore, when the vent hole with a louver is formed as described in claim 4, the angle formed by the semicircular chord part which is the center of bending of the louver and the central axis of the protector is taken into consideration in the manufacturing process. Thus, the angle may be set to 90 degrees or an angle inclined by a predetermined angle.
[0019]
In the gas sensors according to claims 4 and 5, the louver has a semicircular shape, but if the support for the function and the manufacturing method for regulating the flow of gas is not provided, a half moon, a triangle, a quadrangle, etc. Other shapes other than a circle may be used.
Next, the end surface vent hole formed on the front end surface of the outer protector may be formed by directly drilling the front end surface. However, if it is a simple hole, water droplets may enter from this hole. It is done.
[0020]
Therefore, as an end surface vent hole formed in the distal end surface of the outer protector, as described in claim 6, the distal end surface of the outer protector protrudes inward or outward, and a part of the side wall of the protruding portion is opened. It is good to have a different shape. That is, in this way, since the tip surface of the outer protector does not open directly to the outside, it is possible to prevent water droplets or the like from entering from the end surface vent hole and to protect the detection element more reliably.
[0021]
In particular, as described in claim 7, when the end face air hole is formed by opening a part of the side wall of the protruding portion that protrudes the front end surface of the outer protector to the inside, the case of the inner protector Since the tip of the opposite side can be brought into contact with the inner end surface of the protruding portion of the outer protector and these can be joined together by welding or the like, positioning and fixing of the inner protector and the outer protector can be performed very easily. Will be able to.
[0022]
In addition, although the vent hole may be formed in the front end surface of the inner protector, it is desirable not to form the vent hole in order to more reliably prevent intrusion of water droplets or the like.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below.
1A and 1B show the overall configuration of an oxygen sensor according to an embodiment to which the present invention is applied, in which FIG. 1A is a side view showing its appearance, and FIG. 1B is a sectional view showing its internal configuration.
[0024]
The oxygen sensor of the present embodiment is attached to an exhaust pipe of an internal combustion engine and is for detecting the oxygen concentration in the exhaust gas of the internal combustion engine. The oxygen sensor for detecting the oxygen concentration and the detection element 2 are gripped. In order to protect the cylindrical metal shell (case) 4 for fixing to an exhaust pipe of a vehicle or the like, the cylindrical outer tube 14 fixed to the rear end side of the metal shell 4, and the detection element 2 An inner protector 30 and an outer protector 50 fixed to the distal end side of the metal shell 4 are provided.
[0025]
Here, the detection element 2 is made of an oxygen ion conductive solid electrolyte body such as zirconia, and has a plate-like detection element main body in which porous electrodes are formed on both surfaces of the tip portion serving as the gas detection part D, and a gas in the detection element main body. A plate-shaped ceramic heater for heating and activating the detector D is laminated to each other, and a porous electrode made of ceramics such as spinel or alumina is formed on the surface of the porous electrode on which the ceramic heater is not laminated. It is a well-known one in which an electrode protective layer is formed.
[0026]
And this detection element 2 is fixed in the metal shell 4 so that the gas detection part D protrudes from the front-end | tip of the metal shell 4 via the insulator 6 provided inside the metal shell 4. In the insulator 6, a gap 6 b having a larger diameter than the insertion hole 6 a through which the detection element 2 is inserted is formed on the rear end side of the metal shell 4. The gap 6 b is made of glass or the like. The sealing material 8 is filled. The insulator 6 and the metal shell 4 are fixed to each other by a talc ring 10 and a caulking ring 12. As a result, the detection element 2 is firmly (strongly) fixed inside the metal shell 4.
[0027]
Further, a Teflon rommet 16 for fixing the tip electrodes of a plurality of lead wires 22 for energizing the heater from the outside and taking out a detection signal and a Teflon rommet 16 are externally attached to the end of the outer cylinder 14. A seal rubber 18 for fixing in the cylinder 14 is fitted, and a connector portion 20 for electrically connecting the tip electrode of the lead wire 22 fixed to the Teflon rommet 16 and the detection element 2 is provided therein. It has been.
[0028]
Next, the structure of the inner protector 30 and the outer protector 50 which are the main parts of this invention is demonstrated using FIG.2 and FIG.3.
2A is a partially broken front view showing the protector portion attached to the metal shell 4 in an enlarged manner, FIG. 2B is a front view showing the outer appearance of the outer protector 50, and FIG. The side view showing the external appearance of the protector 50, (d) is the front view showing the external appearance of the inner protector 30, and (e) is the side view showing the external appearance of the inner protector 30.
[0029]
3A is a sectional view of the outer protector 50 viewed from the front, FIG. 3B is a sectional view of the outer protector 50 viewed from the side, and FIG. 3C is a sectional view of the inner protector 30 viewed from the front. , (D) is a cross-sectional view of the inner protector 30 as viewed from the side, (e) is a cross-sectional view of the state where both the protectors 30 and 50 are connected as viewed from the front, and (f) is the same when both protectors 30 and 50 are connected. It is sectional drawing which looked at the state from the side.
[0030]
The inner protector 30 and the outer protector 50 are provided to protect the detection element 2 from the outside by covering the periphery of the detection element 2 (specifically, the gas detection part D) protruding from the tip of the metal shell 4. Yes, it is formed in a cylindrical shape (bottomed cylindrical shape) with one open end closed.
[0031]
As apparent from FIGS. 2 and 3, when the inner protector 30 is covered with the outer protector 50 from above, the side walls of the protectors 30 and 50 and the tip end surface opposite to the metal shell 4 are disposed. The outer protector 50 is smaller than the outer protector 50 so that a gap having a predetermined width is formed.
[0032]
Further, on the side wall of the inner protector 30, the base end side near the metallic shell 4 and the distal end side away from the metallic shell 4 are respectively centered on the central axis Z of the inner protector 30 (and oxygen sensor). A plurality of (six in this embodiment) base end side vent holes 32 and tip end side vent holes 34 are formed at substantially equal intervals around the axis of the outer protector 50, and the central axis Z is also provided on the side wall of the outer protector 50. A plurality (six in this embodiment) of side wall vent holes 52 are formed at substantially equal intervals around the center axis.
[0033]
The side wall vent 52 is positioned between the proximal end vent 32 and the distal end vent 34 of the inner protector 30 in the central axis Z direction along the central axis Z direction. Is formed at a substantially central portion.
Of the vent holes formed in the side walls of the protectors 30 and 50, the base end side vent hole 32 formed in the side wall of the inner protector 30 and the side wall vent hole 52 formed in the side wall of the outer protector 50. Are provided with louvers 32a and 52a, respectively.
[0034]
The base side vent holes 32 and the side wall vent holes 52 with the louvers 32a and 52a are formed so that the side walls of the protectors 30 and 50 are substantially semicircular so that the center of the arc having a substantially semicircular shape faces the metal shell 4. Are formed by bending a substantially semicircular side wall portion toward the inside of the protectors 30 and 50 by a predetermined angle with the portion corresponding to the semicircular chord as a center. The bent substantially semicircular side wall portions become the louvers 32a and 52a, and the flow of the gas to be measured is defined so that the gas to be measured flowing into the protectors 30 and 50 flows in the direction of the metal shell 40. To do.
[0035]
In addition, the front end side air hole 34 formed in the side wall of the inner protector 30 is a round hole and is not provided with a louver or the like.
Next, an end surface vent hole 54 is formed on the distal end surface of the outer protector 50 opposite to the metal shell 4. This end face vent hole 54 projects the center part of the front end surface of the metal shell 4 into the protector using a rectangular mold, and opens a pair of side wall parts (left and right side surfaces when viewed from the front) of the projecting part 50a. It is formed by letting.
[0036]
On the other hand, the opening end side of the inner protector 30 (that is, the base end side fixed to the metal shell 4) has a larger diameter than the main body portion in which the vent holes 32 and 34 are formed. At the portion 36, the inner protector 30 can be fitted into the outer protector 50.
[0037]
The large-diameter portion 36 is formed with a groove portion 38 along the central axis Z. The outer protector 50 is inserted into the groove portion 38 when the inner protector 30 is housed therein, so that the inner protector is inserted. An anti-rotation projection 58 that inhibits 30 from rotating in the outer protector 50 protrudes inward.
[0038]
When the protectors 30 and 50 are actually assembled to the oxygen sensor, as shown in FIGS. 3E and 3F, the groove portions 38 and the protrusions 58 allow the inner protector 30 and the outer protector 50 to be connected. While positioning the relative position around the central axis Z, the inner protector 30 is housed in the outer protector 50, and the distal end surface of the inner protector 30 is brought into contact with the protrusion 50 a formed on the distal end surface of the outer protector 50. The two protectors 30 and 50 are joined by joining the portions by welding at several points (see the joining portion 60 shown in FIGS. 2A and 3E).
[0039]
Further, the double-structure protector formed by joining the inner protector 30 and the outer protector 50 in this way is attached to the metal shell 4 by inserting the tip of the metal shell 4 into the opening thereof, Furthermore, the fitting part is integrated with the metal shell 4 by joining by welding or the like (see the joining part 62 shown in FIG. 2A).
[0040]
In the oxygen sensor of the present embodiment configured as described above, if the gas to be measured (exhaust gas) flowing through the exhaust pipe hits the side wall of the outer protector 50 with respect to the exhaust pipe of the internal combustion engine, the exhaust gas is exhausted. It is possible to quickly replace the gas to be measured around the detection element 2 with the exhaust gas that actually flows through the exhaust pipe while preventing the water droplets or the like from hitting the detection element 2.
[0041]
That is, in the oxygen sensor of the present embodiment, the end face vent hole 54 is formed on the tip end face of the outer protector 50, and the tip end vent hole 34 is also formed on the tip end portion of the side wall of the inner protector 30. By the exhaust gas flowing through the exhaust pipe, the outside of the end face vent hole 54 and the tip side vent hole 34 becomes a negative pressure lower than the internal pressure of the outer protector 50 and the inner protector 30. Therefore, the gas to be measured in each protector 50, 30 is discharged to the outside through the vent holes 54, 34 at the tip.
[0042]
On the other hand, the exhaust gas flows into the protector through the side wall vent hole 52 formed in the side wall of the outer protector 50, and the side wall vent hole 52 is connected to the proximal end side vent hole 32 and the distal end side vent hole of the inner protector 30. 34, and the side wall vent 52 is provided with a louver 52a that guides exhaust gas to the base end side of the oxygen sensor (in other words, the base end side vent hole 32 side of the inner protector 30). Therefore, the exhaust gas flowing into the outer protector 50 from the side wall vent 52 flows to the proximal end side of the oxygen sensor, and enters the inner protector 30 from the proximal end vent hole 32 of the inner protector 30 (that is, the detection). Flows around the element 2).
[0043]
Also, the base end side vent hole 32 of the inner protector 30 is provided with a louver 32a that guides the exhaust gas to the base end side of the oxygen sensor, similarly to the side wall vent hole 52 of the outer protector 50. The exhaust gas that has flowed into the inner protector 30 from the vent hole 32 further flows toward the proximal end in the inner protector 30.
[0044]
The gas to be measured in the inner protector 30 flows into the inner protector 30 because the gas to be measured tends to escape from the tip side vent hole 34 due to the negative pressure generated by the exhaust flow in the exhaust pipe as described above. The exhaust gas once flows into the proximal end side of the oxygen sensor, then changes direction, flows to the distal end side, and is discharged to the outside from the distal end side vent hole 34. Then, the exhaust gas discharged from the inner protector 30 in this way is discharged from the end surface vent hole 54 of the outer protector 50 into the exhaust pipe.
[0045]
As described above, in the oxygen sensor of this embodiment, as shown by the dotted arrows in FIGS. 3 (e) and 3 (f), the exhaust gas, which is the gas to be measured, is exhausted from the side wall vent 52 and the inner protector. 30 is once taken into the base end side in the inner protector 30 through the base end side vent hole 32, and then the exhaust pipe inside through the front end side vent hole 34 of the inner protector 30 and the end face vent hole 54 of the outer protector 50. To discharge.
[0046]
For this reason, according to the oxygen sensor of the present embodiment, the gas to be measured can be prevented from staying in the inner protector 30, and the gas to be measured can be quickly replaced with the exhaust gas whose oxygen concentration is to be measured. Therefore, according to the oxygen sensor of the present embodiment, the oxygen concentration in the measured gas (in the exhaust gas) can be measured without a response delay, the control response of the internal combustion engine can be improved, and the control accuracy can be improved. it can.
[0047]
As mentioned above, although one Example of this invention was described, this invention is not limited to the said Example, A various aspect can be taken.
For example, in the above embodiment, the overall shape of the outer protector 50 and the inner protector 30 has been described as simply a bottomed cylindrical shape, but for example, as shown in FIG. The tip portion may be formed in a so-called tapered shape so that the diameter becomes smaller toward the tip side.
[0048]
Further, for example, in the above embodiment, the center of the arc of the louvers 32a, 52a having a substantially semicircular shape is the metal shell 4 with respect to the louvers 32a, 52a formed in the base end side vent holes 32 and the side wall vent holes 52. Although it has been described that it is formed so that it faces (in other words, the portion of the louvers 32a, 52a that is the bent portion of the arcuate chord is perpendicular to the central axis Z), as shown in FIG. In addition, the portion of the louver 32a, 52a having a substantially semicircular shape, which is a bent portion of the arcuate string, may be inclined at a predetermined angle with respect to the central axis Z.
[0049]
In the above embodiment, the case where the present invention is applied to an oxygen sensor attached to an exhaust pipe of an internal combustion engine has been described, but the gas sensor of the present invention may be a gas sensor other than an oxygen sensor such as a NOx sensor, The same effect can be obtained by applying in the same manner as the above embodiment. Furthermore, the shape of the detection element is not limited to the plate type, but is also useful for a cylindrical element.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating a configuration of an oxygen sensor according to an embodiment.
FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining the protector mounting structure of the oxygen sensor of the embodiment and the appearance of the protector.
FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining a cross section of a protector and an assembled state of two protectors of an oxygen sensor according to an embodiment.
FIG. 4 is an explanatory diagram illustrating another configuration example of the protector of the oxygen sensor.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 2 ... Detection element, 4 ... Main metal fitting (case), 6 ... Insulator, 8 ... Sealing material, 30 ... Inner protector, 32 ... Base end side vent hole, 34 ... End side vent hole, 50 ... Outer protector, 52 ... side wall vents, 54 ... end face vents, 32a, 52a ... louvers.

Claims

A detection element for detecting a detected component in the gas to be measured;
A cylindrical case for gripping the detection element in a protruding state;
A bottomed cylindrical protector fixed to the case so as to cover the periphery of the detection element protruding from the case;
A gas sensor comprising:
The protector comprises an inner protector and an outer protector,
On the side wall of the inner protector, a proximal end side vent hole and a distal end side vent hole are formed on the proximal end side in the vicinity of the case and the distal end side away from the case, respectively.
In the outer protector, a side wall vent hole and an end face vent hole are formed on the side wall and the tip surface opposite to the case, respectively.
Moreover, the side wall vent of the outer protector is formed so as to be positioned between the base end vent and the distal end vent along the central axis direction of the protector. Gas sensor.

The gas sensor according to claim 1, wherein a louver is formed in the side wall vent of the outer protector to direct the flow of the gas to be measured flowing from the side wall vent toward the case.

The louver for directing the flow of the gas to be measured flowing into the inside from the base end side vent hole toward the case side is formed in the base end side vent hole of the inner protector. The gas sensor according to claim 2.

The vent hole with the louver has a shape in which a side wall of the protector is cut out by a substantially semicircular arc portion, and is bent inwardly with a chord portion of the semicircle as a center. The gas sensor according to claim 2 or claim 3.

5. The gas sensor according to claim 4, wherein the semicircular chord portion serving as the bending center of the vent hole with the louver is orthogonal or inclined at a predetermined angle with respect to a central axis of the protector.

The end surface vent of the outer protector has a shape in which a tip end surface of the outer protector protrudes inward or outward and a part of a side wall of the protruding portion is opened. Or a gas sensor as described.

The outer surface vent of the outer protector has a shape in which a part of the side wall of the protruding portion that protrudes the tip surface of the outer protector to the inside is opened.
The gas sensor according to claim 6, wherein a front end surface of the inner protector opposite to the case is joined to an inner end surface of the protruding portion of the outer protector.